JPH05270912A

JPH05270912A - 圧電／電歪膜型素子

Info

Publication number: JPH05270912A
Application number: JP4094742A
Authority: JP
Inventors: Yukihisa Takeuchi; 幸久武内; Koji Kimura; 浩二木村
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1992-03-21
Filing date: 1992-03-21
Publication date: 1993-10-19
Anticipated expiration: 2016-01-22
Also published as: JP3126212B2

Abstract

(57)【要約】【目的】低作動電圧で大変位が得られ、また信頼性が
高く、応答速度が早く、且つ発生力が大きい、更に高集
積化が可能である、強度並びにアクチュエータ作動特性
に優れた圧電／電歪膜型素子を提供する。【構成】薄肉のセラミック基板と、該セラミック基板
上に設けられた、電極及び圧電／電歪層からなる圧電／
電歪作動部とを備えた圧電／電歪素子において、該圧電
／電歪作動部を膜形成する一方、前記セラミック基板
を、結晶相が部分安定化され、且つその結晶相が、主と
して正方晶、若しくは立方晶、正方晶、単斜晶のうち２
つ以上の結晶相の混晶からなる酸化ジルコニウムを主成
分とする材料にて構成すると共に、かかる基板の表面粗
さ：Ｒａを０．０３〜０．９μｍの範囲とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明は、圧電／電歪膜型素子、中でも主
にインクジェットプリントヘッド、マイクロホン、発音
体（スピーカー等）、各種振動子や発振子、更にはセン
サー等に用いられるユニモルフ型やバイモルフ型等の、
屈曲変位を発生させるタイプの圧電／電歪膜型素子に関
するものである。なお、ここで呼称される素子とは、電
気エネルギーを機械エネルギーに変換、即ち機械的な変
位または応力または振動に変換する素子の他、その逆の
変換を行なう素子をも意味するものである。また、本発
明による素子は、圧電／電歪特性の他、誘電性も有して
いるので、膜状のコンデンサ素子等としても用いること
が可能である。

【０００２】

【背景技術】近年、光学や精密加工等の分野において、
サブミクロンのオーダーで光路長や位置を調整する変位
素子や微小変位を電気的変化として検知する検出素子が
所望されるようになってきており、これに応えるものと
して、強誘電体等の圧電／電歪材料に電界を加えた時に
起こる逆圧電効果や電歪効果に基づくところの変位或い
はその逆の現象を利用した素子である、アクチュエータ
やセンサの如き圧電／電歪素子の開発が進められてい
る。

【０００３】ところで、インクジェットプリントヘッド
等においては、そのような圧電／電歪素子構造として、
従来から知られているユニモルフ型やバイモルフ型が、
好適に採用されている。そして、そこでは、そのような
素子を用いたプリンタの印字品質・印字速度等の向上が
要求されており、それに応えるべく、かかる圧電／電歪
膜型素子の小型高密度化、低電圧作動化、高速応答化を
図るための開発が進められている。

【０００４】また、それらユニモルフ型やバイモルフ型
の圧電／電歪素子においては、大きな屈曲変位や発生力
或いは発生電位を得るために、振動板となる基板の厚さ
を薄くすることが重要とされるが、かかる基板の厚さを
減少させると、強度が低下するという欠点があった。し
かも、従来のユニモルフ型やバイモルフ型の圧電／電歪
素子においては、何れも、圧電／電歪板等の板状の構成
部材を接着剤等を用いて貼り付けてなる構造を採用する
ものであるために、素子としての作動の信頼性にも問題
があるものであった。

【０００５】

【解決課題】ここにおいて、本発明は、かかる事情を背
景にして為されたものであって、その課題とするところ
は、相対的に低作動電圧で大変位が得られ、また信頼性
が高く、応答速度が早く、且つ発生力が大きい、更に高
集積化が可能である、インクジェットプリントヘッド、
マイクロホン、発音体（スピーカー等）、各種振動子や
発振子、更には加速度センサー、圧力センサー、振動セ
ンサー、角速度センサー等に好適に用いられる、強度に
優れた圧電／電歪膜型素子を提供することにあり、また
そのような圧電／電歪膜型素子における圧電／電歪作動
部と基板との間の付着強度を確保しつつ、圧電／電歪作
動部に発生する歪み、応力を有効に基板に伝え得るよう
にすることにある。

【０００６】

【解決手段】そして、本発明にあっては、上記の如き課
題を解決するために、薄肉のセラミック基板と、該セラ
ミック基板上に設けられた、電極及び圧電／電歪層から
なる圧電／電歪作動部とを備えた圧電／電歪素子におい
て、前記圧電／電歪作動部が膜形成法によって形成され
ている一方、前記セラミック基板が、酸化イットリウ
ム、酸化セリウム、酸化マグネシウム及び酸化カルシウ
ムからなる群より選ばれた少なくとも一つの化合物の含
有によって結晶相が部分安定化され、且つその結晶相
が、主として正方晶、若しくは主として、正方晶、立方
晶、単斜晶のうちの少なくとも２種以上の結晶相を含む
混晶からなる酸化ジルコニウムを主成分とする材料から
構成されていると共に、かかるセラミック基板の表面粗
さ：Ｒａが０．０３〜０．９μｍの範囲内とされている
ことを特徴とする圧電／電歪膜型素子を、その要旨とす
るものである。

【０００７】

【作用・効果】このような本発明に従う圧電／電歪膜型
素子にあっては、薄肉のセラミック基板と、その基板面
上に形成された膜状の圧電／電歪作動部（二つの電極膜
とそれら電極膜の間に形成された膜状の圧電／電歪層か
ら構成される）とからなるものであるところから、相対
的に低作動電圧にて大変位が得られ、また応答速度が早
く、且つ発生力或いは発生電位も大きい特徴が得られる
他に、厚膜形成法の如き膜形成プロセスが得意とすると
ころの、同一基板面上に多数個の圧電／電歪作動部を有
する素子を接着材を用いずに同時に且つ容易に形成する
ことが出来る特徴があり、更には、かかる圧電／電歪作
動部の高集積化が可能となる特徴をも有している。

【０００８】しかも、本発明にあっては、そのような圧
電／電歪作動部が形成される基板として用いられるセラ
ミック基板は、酸化イットリウム、酸化セリウム、酸化
カルシウム及び酸化マグネシウムからなる群より選ばれ
た少なくとも一つの化合物の含有によって、その結晶相
が部分安定化された酸化ジルコニウムを主成分とする材
料であるところから、薄い板厚においても、機械的強度
が大きい、高靭性である、また圧電／電歪材料との熱処
理時の応力が小さい、更にその圧電／電歪材料との化学
的な反応性が小さい等の特徴が得られ、以て優れた特性
を有する素子の提供が可能となったのである。

【０００９】すなわち、酸化ジルコニウムは、公知のよ
うに、添加物を含まない純粋な状態では、１０００℃近
辺での単斜晶・正方晶間の相変態により、磁器破壊が生
じ、薄肉の基板としては製造することが困難となるが、
上記の如き化合物を添加することにより、そのような結
晶変態が起こらないように、結晶相を完全に若しくは部
分的に安定化することが出来るのである。ここで、部分
的に安定化するとは部分的に結晶変態が起こり得るよう
に材料を調整することである。そして、本発明において
は、その結晶相が、主として正方晶、若しくは主とし
て、正方晶、立方晶、単斜晶のうち少なくとも２種以上
の結晶相を含む混晶からなる部分安定化された酸化ジル
コニウムは、応力によって結晶変態が生じる、即ち応力
誘起相変態強化メカニズム等により、高い機械強度、靭
性を示し、圧電／電歪層と電極膜と基板とが接着剤なし
に一体として構成され、変位または、力或いは電位を発
生する圧電／電歪膜型素子における基板材料として、非
常に好適に用いられ得るものであり、そのような材料特
性を利用して、膜型素子を有利に構成し得たものであ
る。

【００１０】また、本発明では、優れた圧電／電歪材料
特性を得る為に、後述するように、電極材料や圧電／電
歪材料はガラス等の所謂接着質のものを含有するもので
はないので、圧電／電歪作動部と基板との付着性を高
め、圧電／電歪層の発生する歪み、応力を、振動板とな
る基板に有効に伝えるために、またその逆の作用が有効
に行なわれるために、基板の表面粗さが重要な因子とな
るのである。そして、そのために、本発明にあっては、
Ｒａで表わされる表面粗さにおいて、０．０３〜０．９
μｍの範囲が、更に好ましくは０．１〜０．７μｍの範
囲の表面粗さが、選択されることとなるのである。な
お、この表面粗さが大きくなると、付着強度は増大する
ものの、圧電／電歪作動部の平坦性が低下するため、圧
電／電歪層に作用する電界に不均一が生じ、以て素子特
性を低下させることになる。また、本発明において好ま
しく採用される厚さ５０μｍ以下の板厚を有する基板の
強度も、その表面粗さに影響を受けるため、前記表面粗
さの範囲は重要である。

【００１１】なお、本発明において、マグネシウムニオ
ブ酸鉛を第三成分としたジルコン酸チタン酸鉛を圧電／
電歪材料の主成分として用い、前記部分安定化した酸化
ジルコニウム基板と組み合わせることにより、厚膜手法
等によって膜形成した圧電／電歪層の熱処理時、基板と
の反応等による膜状の圧電／電歪層の組成変動或いはパ
イロクロア等の結晶相を惹起させることが非常に少な
く、目的とする組成及び結晶構造の圧電／電歪層を有利
に形成することが出来る特徴を発揮する。

【００１２】また、本発明に従う圧電／電歪膜型素子で
は、低電圧作動が可能で、しかも大きな屈曲変位・発生
力或いは発生電位を得るために、有利には、厚さとして
１００μｍ以下、好ましくは５０μｍ以下である圧電／
電歪作動部と、厚さとして５０μｍ以下、好ましくは３
０μｍ以下、更に好ましくは１０μｍ以下のセラミック
基板とから構成されることとなる。また、そのような薄
い板厚においても高い機械強度を得るために、部分安定
化酸化ジルコニウムとしては、好ましくは、酸化イット
リウムで安定化された酸化ジルコニウムが基板材料とし
て採用され、且つそのような酸化イットリウムの含有量
は、２モル％以上７モル％以下、好ましくは２モル％以
上４モル％以下とされ、且つその部分安定化された酸化
ジルコニウムの結晶相は、主として正方晶、若しくは主
として、正方晶、立方晶、単斜晶のうち少なくとも２種
以上の結晶相を含む混晶からなることとなる。更に、基
板の結晶粒子径としても、基板の機械強度の点から、平
均粒子径として、０．０５μｍ〜３μｍであることが好
ましく、更に好ましくは１μｍ以下であることが望まし
い。このような範囲の結晶粒子径は、前記した結晶相を
安定に存在させるためにも重要である。

【００１３】

【具体的構成・実施例】以下に、本発明に従う圧電／電
歪膜型素子の具体的構造を示す図面を参照しつつ、本発
明を更に具体的に明らかにすることとする。なお、理解
を容易にするために、各図面を通して、同様の構造乃至
は機能を有するものには、同一の符号を付すものとす
る。

【００１４】先ず、図１に示される圧電／電歪膜型素子
（アクチュエータ）は、薄肉の平板状のセラミック基板
２の一方の面上に、第一の電極膜４、膜状の圧電／電歪
層６及び第二の電極膜８が、通常の膜形成手法によって
順次積層形成されて、多層の一体構造とされている。な
お、第一及び第二の電極膜４，８は、それぞれ、圧電／
電歪層６の端部より延び出させられて、リード部４ａ，
８ａを形成しており、それらリード部４ａ，８ａを通じ
て、それぞれの電極膜４，８に電圧印加が行なわれるよ
うになっている。また、セラミック基板２は、本発明に
従って、部分安定化された酸化ジルコニウム材料から構
成されており、しかも、その表面粗さ：Ｒａが０．０３
〜０．９μｍの範囲となるように仕上げられている。従
って、このような構造の圧電／電歪膜型素子において
は、その圧電／電歪層６に電界が作用せしめられると、
電界誘起歪の横効果により、セラミック基板２の板面に
垂直な方向の屈曲変位乃至は発生力が発現せしめられる
のである。

【００１５】また、図２においては、セラミック基板２
の一面上に複数の帯状電極１０とそれらを接続する帯状
の電極接続部１２とからなる櫛型の電極膜１４ａ及びそ
れと同形状の電極膜１４ｂが、図示の如き配置形態にお
いて、それぞれ設けられると共に、更にそれらの電極膜
１４ａ，１４ｂ間に、それら電極膜１４ａ，１４ｂと接
するように、圧電／電歪層６が形成され、一体構造とさ
れている。そして、かかる構造の圧電／電歪膜型素子に
おいては、その圧電／電歪層６に電界が作用せしめられ
ると、電界誘起歪の縦効果により、セラミック基板２の
板面に垂直な方向の屈曲変位乃至は発生力が発現せしめ
られるのである。

【００１６】さらに、図３及び図４には、それぞれ、図
１及び図２に示される如き素子において、そのセラミッ
ク基板２の形状を変えた例が示されている。即ち、図３
及び図４においては、外縁部が厚肉とされる一方、内側
部位が薄肉厚部１６ａとされたセラミック基板１６が用
いられており、そして、その薄肉厚部１６ａの面上に
は、二つの電極膜４，８；１４ａ，１４ｂと圧電／電歪
層６とからなる圧電／電歪作動部が、一体的に設けられ
ている。

【００１７】さらにまた、図５に示される素子は、セラ
ミック基板１６の薄肉厚部１６ａの両面に、圧電／電歪
作動部（４，６，８）がそれぞれ設けられたバイモルフ
型の圧電／電歪膜型素子の例である。

【００１８】図６に示される素子においては、セラミッ
ク基板２の一方の面上に、二つの帯状電極膜１８，１８
が渦巻状に相対向して位置するように設けられ、またこ
れら帯状電極膜１８，１８を埋め込むように、圧電／電
歪層６が設けられることによって、それら帯状電極膜１
８，１８と圧電／電歪層６とによって、圧電／電歪作動
部が構成されている。

【００１９】また、図７〜図１１は、それぞれ、複数の
圧電／電歪作動部がセラミック基板上に設けられてな
る、本発明に従う素子の異なる例を示すものであって、
それら複数の圧電／電歪作動部は、積層形態において、
或いは並設形態において、セラミック基板上に設けられ
ている。

【００２０】例えば、図７では、セラミック基板２の一
方の面上に、一定の間隔で複数の帯状電極膜１８が配列
され、そして、それら帯状電極膜１８を埋め込んだ状態
において、所定厚さの圧電／電歪層６が設けられること
によって、圧電／電歪作動部が形成された例が示されて
おり、更にその圧電／電歪作動部（６，１８）上には、
電極膜２０、膜状の圧電／電歪層２２及び電極膜２０が
順次積層一体化せしめられた構造とされている。かかる
二つの電極膜２０，２０と圧電／電歪層２２によって、
他の一つの圧電／電歪作動部が形成されているのであ
る。

【００２１】また、図８〜図１０に示される例において
は、複数の圧電／電歪作動部（４，６，８）がセラミッ
ク基板２上に並設形態において設けられており、特に図
８及び図９に示される素子においては、それら複数の圧
電／電歪作動部（４，６，８）の間に位置するセラミッ
ク基板２に、スリット２４が入れられて、それぞれの圧
電／電歪作動部が互いに独立した形態とされている。ま
た、図１０の素子においは、セラミック基板２に長手の
矩形孔２６が所定ピッチで設けられ、梯子状のセラミッ
ク基板２とされており、そして、この梯子状のセラミッ
ク基板２の矩形孔２６，２６に挟まれた接続部２ａ上に
第一の電極膜４と膜状の圧電／電歪層６と第二の電極膜
８とからなる圧電／電歪作動部が、それぞれ形成されて
いる。なお、図８において、２８は、圧電／電歪層６の
背部で、第一の電極膜４と第二の電極膜８とを電気的に
絶縁する絶縁膜である。

【００２２】さらに、図１１に示される素子の例におい
ては、１枚の大きなセラミック基板２上に、第一の電極
膜４と膜状の圧電／電歪層６と第二の電極膜８とからな
る圧電／電歪作動部の複数が、所定ピッチにて一体的に
並設された構造において設けられている。

【００２３】更にまた、図１２及び図１３には、図１１
に示される素子において、そのセラミック基板２の形状
及び圧電／電歪作動部（４，６，８）の配設形態を変え
た例が示されている。即ち、基板裏面形態を示す図１２
から明らかなように、厚肉のセラミック基板１６の裏面
に、所定の大きさのキャビティ３０が所定ピッチで千鳥
状に設けられており、以てこのキャビティ３０の底部に
よって与えられる薄肉厚部１６ａが千鳥状に配置された
基板構成となっている。そして、このセラミック基板１
６の表面には、図１３に示されるように、前記薄肉厚部
１６ａ上に位置するように、圧電／電歪作動部（４，
６，８）が一体的に形成されて、千鳥状に配置せしめら
れている。

【００２４】そして、このような各種の構造の素子にお
いては、何れも、アクチュエータとして機能させるべ
く、その圧電／電歪作動部を構成する二つの電極膜の間
に、従来と同様にして通電が行なわれ、それによって圧
電／電歪層に電界が作用せしめられると、そのような電
界に基づくところの圧電／電歪層の電界誘起歪が誘起さ
れ、以てセラミック基板の板面に垂直な方向の屈曲変位
乃至は発生力が発現せしめられるのである。

【００２５】ところで、これら本発明に従う圧電／電歪
膜型素子において、その圧電／電歪作動部が形成される
セラミック基板（２，１６）に関して、それを与える材
料としては、所定の化合物で結晶相が主として正方晶若
しくは主として、立方晶、正方晶、単斜晶のうち少なく
とも２種以上の結晶相からなる混晶とされた部分安定化
酸化ジルコニウムを主成分とする材料が用いられること
となる。本発明に従う膜型素子は、後述するように、一
般に、基板と共に、高い温度で熱処理され、その際の耐
熱性、また圧電／電歪材料との電極膜を介した反応性、
更には熱処理時の応力に対する強度等、基板の材料特性
によって、得られる膜型素子の特性、例えば発生力や変
位が影響を受けることを見い出したことに基づくもので
あるが、その中で、部分的に安定化された酸化ジルコニ
ウムは、素子の変位、発生力等の特性に優れ、基板材料
として極めて有効なものである。

【００２６】この酸化ジルコニウムを部分安定化せし
め、且つその結晶相を、主として正方晶、若しくは主と
して、立方晶、正方晶、単斜晶のうち少なくとも２種以
上の結晶相からなる混晶にするための化合物としては、
酸化イットリウム、酸化セリウム、酸化マグネシウム、
酸化カルシウムのうちの少なくとも一つの化合物を添
加、含有せしめることにより、酸化ジルコニウムは部分
安定化されることとなるが、その部分安定化は、一種類
の化合物の添加のみならず、それらの化合物を組み合わ
せて、添加することによっても、目的とする酸化ジルコ
ニウムの部分安定化は可能である。なお、それら部分安
定化剤の添加含有量としては、酸化イットリウムに関し
ては２モル％〜７モル％、酸化セリウムに関しては６モ
ル％〜１５モル％、酸化マグネシウム、酸化カルシウム
に関しては５モル％〜１２モル％とすることが好ましい
が、その中でも、特に酸化イットリウムを部分安定化剤
として用いることが好ましく、その場合においては、２
モル％〜７モル％、更に好ましくは２モル％〜４モル％
とすることが望ましい。そのような範囲で酸化イットリ
ウムを添加・含有せしめてなる酸化ジルコニウムは、そ
の主たる結晶相が、正方晶、若しくは立方晶、正方晶、
単斜晶のうち少なくとも２種以上の結晶相からなる混晶
において部分安定化され、優れた基板特性を与えること
となる。なお、ここで論じた結晶相は、焼成した磁器基
板を鏡面研磨し、Ｘ線により同定されるものである。ま
た、その結晶相を安定に存在させ、大きな基板強度が得
られる為には、基板の平均結晶粒子径も重要となる。即
ち、平均粒子径として、０．０５μｍ〜３μｍであるこ
とが好ましく、更に好ましくは１μｍ以下であることが
望ましい。

【００２７】なお、酸化ジルコニウム基板の安定化に用
いられる化合物としては、一般に、酸化イットリウム、
酸化マグネシウム等が知られているが、そのような化合
物の添加量によって、安定化される結晶相は異なるもの
となる。しかし、結晶相は、そのような化合物の添加量
だけで決定されるものではなく、原料粉末の結晶粒子径
によっても異なることとなり、更には焼成によって作製
された酸化ジルコニウム磁器の結晶粒子径、それに関連
して焼成温度・時間も因子となるのである。例えば、酸
化イットリウムを安定化剤として用いた場合には、結晶
相を主として正方晶にするためには、安定化剤の添加量
として２〜４モル％、原料粉末の粒子径として０．１μ
ｍ以下、作製される磁器の結晶粒子径として１μｍ以
下、焼成温度は原料によって異なるため、一概に言えな
いところであるが、粒成長の起こらない温度・時間が必
要となるのである。即ち、これらの条件を同時に満足し
てはじめて、正方晶が安定に存在した結晶相を主とする
酸化ジルコニウム基板の調製が可能となるのである。一
方、結晶相を主として、立方晶、正方晶、単斜晶のうち
少なくとも２種以上の結晶相からなる混晶とするために
は、安定化剤の添加量の上限を７モル％程度までとし、
作製した磁器の結晶粒子径も３μｍ以下という条件が採
用される。これらの条件の範囲外では、例えば、安定化
剤の添加量が２モル％より少なくなると単斜晶が主とな
り、また原料粉末や磁器の結晶粒子径も大きくなると、
正方晶が安定して出来難くなるのである。

【００２８】かかる状況下、本発明に従う部分安定化酸
化ジルコニウム基板を作製するためには、一般に、前述
の如き化合物の所定量を用いると共に、原料粉末の結晶
平均粒子径が０．１μｍ以下の原料を使用し、焼成温度
を１３００℃〜１６００℃に設定する条件が採用される
こととなる。

【００２９】また、セラミック基板の形態としては、先
に、図１や図２等に示した単板状の物（２）でも、また
図３や図４等に示される如き、凹所の底部が薄肉厚部
（１６ａ）とされ、その薄肉厚部の面上に圧電／電歪作
動部が形成されるキャビティ構造を有している基板（１
６）でも良いが、後者のキャビティ構造を有する基板の
方が、当該部位の基板厚さを薄くすることが出来、以て
素子基板の強度を低下させることなく、また並設形態に
おいて隣接する圧電／電歪作動部同士が変位或いは振動
時に薄肉厚部と薄肉厚部の間にある厚肉部によって互い
に干渉することが少ないために、好ましく用いられる。
なお、このようなキャビティ構造を有している基板（１
６）のキャビティの寸法に関し、そのようなキャビティ
の長さは、その幅の２倍から２０倍であることが好まし
く、一方キャビティ基板（１６）の薄肉厚部（１６ａ）
に形成される圧電／電歪作動部は、素子の変位・発生力
の点から、該キャビティの幅に対して５０％〜９０％と
することが好ましい。

【００３０】さらに、薄肉のセラミック基板の厚さに関
しては、素子の高速応答性と大きな変位を得るために、
一般に５０μｍ以下、好ましくは３０μｍ以下、更に好
ましくは１０μｍ以下とされる。

【００３１】更にまた、かかるセラミック基板は、最終
的には、焼結せしめられた形態とされるが、圧電／電歪
作動部の形成に先立って、予め焼結した基板としておく
ことが出来、また基板材料のグリーンシートを用い、後
述の膜形成による圧電／電歪作動部の形成を行なった後
に焼結させても良いが、その中では、予め焼結した基板
が、素子の反りを小さくすることが出来、またパターン
寸法精度が得られることから、有利に用いられることと
なる。なお、キャビティ構造を有するセラミック基板
（１６）は、金型や超音波加工等の機械加工法を用いて
空孔部を設けたグリーンシートに、薄肉厚部となる薄い
グリーンシートを積層・熱圧着した後、焼成・一体化す
ることによって作製することが、高い信頼性の点から好
ましい。また、本発明に従う部分安定化された酸化ジル
コニウムを主成分とする基板材料中に、酸化アルミニウ
ムや酸化チタン、更には粘土等の焼結助剤を添加しても
良いが、焼成した基板に酸化珪素（ＳｉＯ₂，ＳｉＯ）
が１％以上含有されないように、助剤の組成や添加量を
調整することが望ましい。過剰に酸化珪素が基板に含有
されていると、圧電／電歪材料との熱処理時に反応が生
じ易く、組成の制御が困難となる。

【００３２】ところで、かくの如きセラミック基板は、
その上に形成される圧電／電歪作動部の作動特性、換言
すればそこにおいて発生する歪み、応力を有効に受け、
またその逆の作用を有効に行なうために、Ｒａにて表わ
される表面粗さが０．０３〜０．９μｍの範囲内となる
ように調整される。このような表面粗さ：Ｒａの調整
は、また、薄い基板の強度を確保する上においても有効
である。

【００３３】そして、このようなセラミック基板上に所
定の電極膜（４，８）及び圧電／電歪層６を設けて圧電
／電歪作動部を形成するには、公知の各種の膜形成法が
適宜に採用され、例えばスクリーン印刷、スプレー、デ
ィッピング、塗布等の厚膜形成手法、イオンビーム、ス
パッタリング、真空蒸着、イオンプレーティング、ＣＶ
Ｄ、メッキ等の薄膜形成手法が適宜に選択される。特
に、膜状の圧電／電歪層（６）を形成するには、スクリ
ーン印刷、スプレー、ディッピング、塗布等による厚膜
形成手法が好適に採用されることとなる。この厚膜形成
手法によれば、圧電／電歪材料のセラミック粒子を主成
分とするペーストやスラリーを用いてセラミック基板上
に膜形成することが出来、良好な素子特性が得られるか
らである。また、そのような膜の形状としては、スクリ
ーン印刷法やフォトリソグラフィ法等を用いてパターン
形成する他、レーザー加工法や、スライシング、超音波
加工等の機械加工法を用い、不必要な部分を除去して、
パターン形成しても良い。

【００３４】なお、ここで作製される素子の構造や膜状
の圧電／電歪作動部の形状は、何等限定されるものでは
なく、用途に応じて、如何なる形状でも採用可能であ
り、例えば三角形、四角形等の多角形、円、楕円、円環
等の円形、櫛状、格子状又はこれらを組み合わせた特殊
形状であっても、何等差し支えない。

【００３５】また、このようにしてセラミック基板上に
上記方法で膜形成されたそれぞれの膜（４，６，８）
は、それぞれの膜の形成の都度、熱処理されて、基板と
一体構造となるようにされても良く、また全部の膜を形
成した後、同時に熱処理して、各膜が同時に基板に一体
的に結合せしめられるようにしても良い。なお、このよ
うな膜形成手法により電極膜を形成する場合には、一体
化するために必ずしも熱処理を必要としないことがあ
る。

【００３６】さらに、このように形成された膜と基板と
を一体化するための熱処理温度としては、一般に９００
℃〜１４００℃程度の温度が採用され、好ましくは１０
００℃〜１４００℃の範囲の温度が有利に選択される。
また、膜状の圧電／電歪層（６）を熱処理する場合に
は、高温時に圧電／電歪層の組成が不安定とならないよ
うに、そのような圧電／電歪材料の蒸発源と共に雰囲気
制御を行ないながら、熱処理することが好ましい他、圧
電／電歪層（６）上に適当な覆蓋部材を載置して、その
表面が焼成雰囲気に直接に露呈されないようにして、焼
成する手法を採用することも推奨される。その場合、覆
蓋部材としては、基板と同様な材料系のものが用いられ
ることとなる。

【００３７】なお、上記の方法にて作製される圧電／電
歪作動部を構成する電極膜（４，８等）の材料として
は、前記熱処理温度並びに焼成温度程度の高温酸化雰囲
気に耐えられる導体であれば、特に規制されるものでは
なく、例えば金属単体であっても、合金であっても良
く、また絶縁性セラミックスと、金属や合金との混合物
であっても、更には導電性セラミックスであっても、何
等差し支えない。尤も、より好ましくは、白金、パラジ
ウム、ロジウム等の高融点貴金属類、或いは銀−パラジ
ウム、銀−白金、白金−パラジウム等の合金を主成分と
する電極材料が好適に用いられ、その中でも更に好まし
くは、白金とセラミック基板材料とのサーメット材料が
好ましく、さらに好ましくは白金と基板材料と圧電材料
とのサーメット材料が好ましい。また、電極に添加する
材料として、ガラスは、圧電／電歪膜との熱処理中に反
応が生じ易く、アクチュエータ特性を低下させる原因と
なり易いため、その使用を避けることが望ましい。な
お、電極中に添加せしめる基板材料としては、５〜３０
体積％程度、一方圧電材料としては５〜２０体積％程度
であることが好ましい。

【００３８】そして、このような導体材料を用いて形成
される電極は用途に応じて適宜の厚さとされることとな
るが、電界誘起歪の横効果を用いるタイプにおいては、
一般に２０μｍ以下、好ましくは５μｍ以下の厚さにお
いて形成されることとなる。一方、電界誘起歪の縦効果
を用いるタイプにおいては、電極厚さは３μｍ以上が望
ましく、好ましくは１０μｍ以上であり、更に好ましく
は２０μｍ以上の厚さにおいて、電極形成されることと
なる。

【００３９】また、圧電／電歪作動部を構成する圧電／
電歪材料としては、圧電或いは電歪効果等の電界誘起歪
を示す材料であれば、何れの材料であっても採用され得
るものであり、結晶質の材料であっても、非晶質の材料
であっても良く、また半導体材料であっても、誘電体セ
ラミックス材料や強誘電体セラミックス材料であって
も、何等差し支えなく、更には分極処理が必要な材料で
あっても、またそれが不必要な材料であっても良いので
ある。

【００４０】尤も、本発明に用いられる圧電／電歪材料
としては、好ましくは、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ
系）を主成分とする材料、マグネシウムニオブ酸鉛（Ｐ
ＭＮ系）を主成分とする材料、ニッケルニオブ酸鉛（Ｐ
ＮＮ系）を主成分とする材料、マンガンニオブ酸鉛を主
成分とする材料、アンチモンスズ酸鉛を主成分とする材
料、亜鉛ニオブ酸鉛を主成分とする材料、チタン酸鉛を
主成分とする材料、更にはこれらの複合材料等が用いら
れる。なお、ＰＺＴ系を主成分とする材料等の前述した
材料に、ランタン、バリウム、ニオブ、亜鉛、セリウ
ム、カドミウム、クロム、コバルト、アンチモン、鉄、
イットリウム、タンタル、タングステン、ニッケル、マ
ンガン、リチウム、ストロンチウム、カルシウム、ビス
マス等の酸化物やそれらの他の化合物を添加物として含
有せしめた材料、例えばＰＬＺＴ系となるように、前記
材料に所定の添加物を適宜に加えても、何等差し支えな
い。なお、ガラス材料の添加は避けるべきである。なぜ
ならば、ＰＺＴ系圧電／電歪材料はガラスと反応し易い
ために、所望の圧電／電歪膜組成への制御が困難とな
り、アクチュエータ特性のバラツキ並びに低下を惹起す
るからである。

【００４１】これら圧電／電歪材料の中でも、マグネシ
ウムニオブ酸鉛を第３成分としたジルコン酸チタン酸鉛
を主成分とする材料若しくはニッケルニオブ酸鉛とマグ
ネシウムニオブ酸鉛の混合物を第３成分とするジルコン
酸チタン酸鉛を主成分とする材料が好ましく、更にその
中でも特に、マグネシウムニオブ酸鉛を第三成分とした
ジルコン酸チタン酸鉛を主成分とする材料が、その熱処
理中における基板材料との反応が少ないことから成分の
偏析が起きにくく、組成を保つための処理が好適に行な
われ得、目的とする組成及び結晶構造が得られ易い等、
高い圧電定数を有することと併せて有利に用いられ、ス
クリーン印刷、スプレー、ディッピング、塗布等の厚膜
形成手法で圧電／電歪膜を形成する場合の材料として推
奨される。なお、多成分系圧電／電歪材料の場合、成分
の組成によって圧電特性が変化するが、本発明で好適に
採用されるマグネシウムニオブ酸鉛−ジルコン酸鉛−チ
タン酸鉛の３成分系材料では、擬立方晶−正方晶−菱面
体晶の相境界付近の組成が好ましく、特にマグネシウム
ニオブ酸鉛：１５モル％〜５０モル％、ジルコン酸鉛：
１０モル％〜４５モル％、チタン酸鉛：３０モル％〜４
５モル％の組成が、高い圧電定数と電気機械結合係数を
有することから、有利に採用される。

【００４２】なお、上記の如くして形成される電極膜と
圧電／電歪膜（層）から構成される圧電／電歪作動部の
厚さとしては、一般に１００μｍ以下とされ、また圧電
／電歪膜の厚さとしては、低作動電圧で大きな変位等を
得るために、好ましくは５０μｍ以下、更に好ましくは
３μｍ以上４０μｍ以下とされることが望ましい。

【００４３】以下の表１に、結晶相の異なる各種の材料
からなる基板を用いて作製されたアクチュエータの諸特
性を示した。なお、アクチュエータの作製に際しては、
基板形状としては、図３に示される如き薄肉厚部（１６
ａ）を有するキャビティ形状とし、その薄肉厚部（１６
ａ）厚さは１０μｍとした。また、圧電／電歪作動部に
は、マグネシウムニオブ酸鉛を第三成分として添加して
なるジルコン酸チタン酸鉛からなる圧電／電歪材料を用
い、それを、３０μｍ厚になるようにスクリーン印刷
し、１０００℃以上の熱処理を行なって、形成した。薄
肉厚部の大きさは０．８ｍｍ×３ｍｍである。破壊強度
の測定は、０．３ｍｍφの面積を有する測定子を薄肉厚
部の中心部に垂直に当て、荷重をかけることにより、行
なった。アクチュエータの変位は、ＤＣ３０Ｖ印加時の
数値である。

【００４４】

【表１】

【００４５】かかる表の結果から明らかなように、所定
の結晶相を有する部分安定化された酸化ジルコニウム
は、他の基板材料に比べて、圧電／電歪材料との反応が
なく、且つアクチュエータとしての変位が大きく、更に
薄い板厚においても高い機械強度を示している。

【００４６】また、基板の表面粗さ：Ｒａを種々異なら
しめて、上記と同様な実験を行ない、その結果を、下記
表２に示した。この表２の結果より、基板の表面粗さ：
Ｒａが０．０３〜０．９μｍの範囲内にあるものが優れ
た特徴を示している。

【００４７】

【表２】

【００４８】以上、本発明を幾つかの実施例に基づいて
具体的に説明してきたが、本発明は、上記の実施例によ
って限定的に解釈されるものでは決してなく、本発明の
範囲を逸脱しない限りにおいて、種々なる変更、修正、
改良等を加え得るものであることが理解されるべきであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る圧電／電歪膜型素子の一実施例を
示す斜視部分説明図である。

【図２】本発明に係る圧電／電歪膜型素子の異なる一実
施例を示す斜視部分説明図である。

【図３】本発明に係る圧電／電歪膜型素子の更に異なる
実施例を示す斜視部分説明図である。

【図４】本発明に係る圧電／電歪膜型素子の更に異なる
実施例を示す斜視部分説明図である。

【図５】本発明に係る圧電／電歪膜型素子の他の一つの
実施例を示す斜視部分説明図である。

【図６】本発明に係る圧電／電歪膜型素子の他の異なる
実施例を示す斜視部分説明図である。

【図７】本発明に係る圧電／電歪膜型素子の他の更に異
なる実施例を示す斜視部分説明図である。

【図８】本発明に係る圧電／電歪膜型素子の異なる実施
例の一つを示す斜視部分説明図である。

【図９】本発明に係る圧電／電歪膜型素子の更に異なる
実施例の一つを示す斜視部分説明図である。

【図１０】本発明に係る圧電／電歪膜型素子の他の更に
異なる実施例を示す斜視部分説明図である。

【図１１】本発明に係る圧電／電歪膜型素子の他の更に
異なる実施例の一つを示す斜視部分説明図である。

【図１２】図１１に示される圧電／電歪膜型素子の変形
例の素子裏面を示す斜視部分説明図である。

【図１３】図１２に示される圧電／電歪膜型素子の図１
１に相当する斜視部分説明図である。

【符号の説明】

２，１６セラミック基板４第一の電極膜６，２２圧電／電歪層８第二の電極膜１０，１８帯状電極膜１２電極接続部１４ａ，１４ｂ櫛状電極膜１６ａ薄肉厚部２０電極膜２４スリット２６矩形孔

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成５年３月１６日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１１】なお、本発明において、マグネシウムニオ
ブ酸鉛とジルコン酸鉛とチタン酸鉛とからなる成分を圧
電／電歪材料の主成分として用い、前記部分安定化した
酸化ジルコニウム基板と組み合わせることにより、厚膜
手法等によって膜形成した圧電／電歪層の熱処理時、基
板との反応等による膜状の圧電／電歪層の組成変動或い
はパイロクロア等の結晶相を惹起させることが非常に少
なく、目的とする組成及び結晶構造の圧電／電歪層を有
利に形成することが出来る特徴を発揮する。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４１】これら圧電／電歪材料の中でも、マグネシ
ウムニオブ酸鉛とジルコン酸鉛とチタン酸鉛とからなる
成分を主成分とする材料若しくはニッケルニオブ酸鉛と
マグネシウムニオブ酸鉛とジルコン酸鉛とチタン酸鉛と
からなる成分を主成分とする材料が好ましく、更にその
中でも特に、マグネシウムニオブ酸鉛とジルコン酸鉛と
チタン酸鉛とからなる成分を主成分とする材料が、その
熱処理中における基板材料との反応が少ないことから成
分の偏析が起きにくく、組成を保つための処理が好適に
行なわれ得、目的とする組成及び結晶構造が得られ易い
等、高い圧電定数を有することと併せて有利に用いら
れ、スクリーン印刷、スプレー、ディッピング、塗布等
の厚膜形成手法で圧電／電歪膜を形成する場合の材料と
して推奨される。なお、多成分系圧電／電歪材料の場
合、成分の組成によって圧電特性が変化するが、本発明
で好適に採用されるマグネシウムニオブ酸鉛−ジルコン
酸鉛−チタン酸鉛の３成分系材料では、擬立方晶−正方
晶−菱面体晶の相境界付近の組成が好ましく、特にマグ
ネシウムニオブ酸鉛：１５モル％〜５０モル％、ジルコ
ン酸鉛：１０モル％〜４５モル％、チタン酸鉛：３０モ
ル％〜４５モル％の組成が、高い圧電定数と電気機械結
合係数を有することから、有利に採用される。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４３】以下の表１に、結晶相の異なる各種の材料
からなる基板を用いて作製されたアクチュエータの諸特
性を示した。なお、アクチュエータの作製に際しては、
基板形状としては、図３に示される如き薄肉厚部（１６
ａ）を有するキャビティ形状とし、その薄肉厚部（１６
ａ）厚さは１０μｍとした。また、圧電／電歪作動部に
は、マグネシウムニオブ酸鉛とジルコン酸鉛とチタン酸
鉛とからなる成分を主成分とする圧電／電歪材料を用
い、それを、３０μｍ厚になるようにスクリーン印刷
し、１０００℃以上の熱処理を行なって、形成した。薄
肉厚部の大きさは０．８ｍｍ×３ｍｍである。破壊強度
の測定は、０．３ｍｍφの面積を有する測定子を薄肉厚
部の中心部に垂直に当て、荷重をかけることにより、行
なった。アクチュエータの変位は、ＤＣ３０Ｖ印加時の
数値である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】薄肉のセラミック基板と、該セラミック
基板上に設けられた、電極及び圧電／電歪層からなる圧
電／電歪作動部とを備えた圧電／電歪素子にして、前記
圧電／電歪作動部が膜形成法によって形成されている一
方、前記セラミック基板が、酸化イットリウム、酸化セ
リウム、酸化マグネシウム及び酸化カルシウムからなる
群より選ばれた少なくとも一つの化合物の含有によって
結晶相が部分安定化され、且つその結晶相が、主として
正方晶、若しくは主として、正方晶、立方晶、単斜晶の
うちの少なくとも２種以上の結晶相を含む混晶からなる
酸化ジルコニウムを主成分とする材料から構成されてい
ると共に、かかるセラミック基板の表面粗さ：Ｒａが、
０．０３〜０．９μｍの範囲内とされていることを特徴
とする圧電／電歪膜型素子。
【請求項２】前記セラミック基板が、前記酸化イット
リウムで部分安定化された酸化ジルコニウムを主成分と
する材料からなり、且つかかる酸化イットリウムの含有
量が２モル％以上、７モル％以下であることを特徴とす
る請求項１に記載の圧電／電歪膜型素子。
【請求項３】前記セラミック基板が、前記酸化セリウ
ムで部分安定化された酸化ジルコニウムを主成分とする
材料からなり、且つかかる酸化セリウムの含有量が６モ
ル％以上、１５モル％以下であることを特徴とする請求
項１に記載の圧電／電歪膜型素子。
【請求項４】前記セラミック基板が、前記酸化マグネ
シウムまたは酸化カルシウムで部分安定化された酸化ジ
ルコニウムを主成分とする材料からなり、且つかかる酸
化マグネシウムまたは酸化カルシウムの含有量が５モル
％以上１２モル％以下であることを特徴とする請求項１
に記載の圧電／電歪膜型素子。